在嵌入式系統中實(shí)現對U盤(pán)的操作

摘要：主要介紹在嵌入式系統中利用SL811HS對U盤(pán)操作的實(shí)現方法；簡(jiǎn)要介紹USB設備中的海量存儲類(lèi)、SL811HS的芯片特點(diǎn)及FAT文件系統。

關(guān)鍵詞：USB U盤(pán) FAT SL811HS

引 言

　　USB(通用串行總線(xiàn))用于將適用USB的外圍設備(device)連接到主機(host)，實(shí)現二者之間數據傳輸的外部總線(xiàn)結構；是一種快速、靈活的總線(xiàn)接口。它最大的特點(diǎn)是易于使用，主要是用在中速和低速的外設。

　　隨著(zhù)USB規范的完善和成熟，USB外設的種類(lèi)不斷豐富，應用領(lǐng)域也不斷擴大。在傳統的應用中，主要是PC扮演著(zhù)主機的角色。根據USB的規范，可以看到在USB的拓樸結構中居于核心地位的是主機，每一次的數據傳輸都必須由主機發(fā)起和控制。但是隨著(zhù)嵌入式產(chǎn)品應用領(lǐng)域的日益增長(cháng)，USB外設的應用范圍也隨之擴大，為此在嵌入式系統中實(shí)現對USB外設控制也變得日益迫切。

　　本文針對USB外設中的U盤(pán)，說(shuō)明如何在嵌入式系統中利用SL811HS實(shí)現對其的操作。

1 海量存儲類(lèi)

　　USB設備分為五個(gè)大類(lèi)，即顯示器(monitors)、通信設備(communications devices)、音頻設備(audio)、人機輸入(human input)和海量存儲(mass storage)。

　　通常所用的U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)均屬于海量存儲類(lèi)。

　　海量存儲類(lèi)的規范中包括四個(gè)獨立的子規范，即CBI Transprot、Bulk-Only Transport、ATA Command Block、UFI Command Specification。前兩個(gè)協(xié)議定義了數據/命令/狀態(tài)在USB總線(xiàn)上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協(xié)議僅僅使用Bulk端點(diǎn)傳送數據/命令/狀態(tài)，CBI傳輸協(xié)議則使用Control/Bulk/Interrupt三種類(lèi)型的端點(diǎn)進(jìn)行數據/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個(gè)協(xié)議定義了存儲介質(zhì)的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤(pán)，UFI協(xié)議則針對USB移動(dòng)存儲。

　　本設計中所使用的U盤(pán)遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規范。

2 實(shí)現方法

2.1 硬件設計

　　本設計采用SL811HS芯片完成對U盤(pán)的操作。SL811HS是Cypress公司推出的具有主/從兩種工作模式的USB控制器，遵循USB1.1規范；可自動(dòng)檢測總線(xiàn)速率，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps設備；具有8位雙向的數據總線(xiàn)，易與單片機連接；片內256字節的SRAM(其中16字節用于工作寄存器)，用于數據傳輸；可自動(dòng)產(chǎn)生SOF和CRC5/16，簡(jiǎn)化軟件工作量；片內具有根Hub；支持掛起/喚醒工作模式，減少功耗；支持自動(dòng)加1功能，減少數據讀寫(xiě)周期；3.3V工作電源，接口可承受5V的工作電壓，可與多種規格的單片機連接。

　　單片機與SL811HS接口的原理如圖1所示。
　　　　　　　　
2.2 軟件設計

　　通過(guò)USB主控芯片對U盤(pán)操作的主要工作是在軟件方面，它需要對眾多規范、協(xié)議透徹的理解。下面主要通過(guò)軟件的工作流程來(lái)說(shuō)明設計過(guò)程。

2.2.1 SL811HS初始化

　　SL811HS共有15個(gè)配置寄存器，其中0~4、8~C是USB-A、USB-B的工作配置寄存器，5、F是控制寄存器，6是中斷使能寄存器，D為狀態(tài)寄存器，E、F為SOF計數寄存器。各個(gè)寄存器的具體功能如表1所列。
　　　　　　　
　　在SL811HS上電開(kāi)始工作后，首先對USB總線(xiàn)復位(置寄存器5的位3為1，延時(shí)30ms后清零)，然后使能設備檢測中斷(置寄存器6為0x61)。

2.2.2 設備檢測

(1)軟件協(xié)議
　　在設備檢測階段，主要通過(guò)setup結構的數據包(8字節長(cháng))向USB設備的控制端點(diǎn)0(默認端點(diǎn))發(fā)送命令。數據包結構如表2所列。
　
(2)實(shí)現過(guò)程
　　當U盤(pán)插入USB插座時(shí)，SL811HS產(chǎn)生中斷，通過(guò)讀取中斷狀態(tài)寄存器可判斷中斷類(lèi)型。當中斷類(lèi)型表示為檢測到設備插入時(shí)，就可對USB設備即U盤(pán)進(jìn)行配置了。此時(shí)還需使能SL811HS的1ms SOF(配置SL811HS的寄存器E=0xE0、F=0xAE，然后置位寄存器5的位0和寄存器0的位5)，以便進(jìn)行數據幀的同步。

　　在U盤(pán)未配置之前，其默認地址和默認控制端點(diǎn)均為0。利用setup數據包對U盤(pán)進(jìn)行配置時(shí)，須將U盤(pán)的地址寫(xiě)入SL811HS的寄存器4，將數據包的類(lèi)型和U盤(pán)的控制端點(diǎn)寫(xiě)入SL811HS的寄存器3。

　　以下為對U盤(pán)配置過(guò)程的主要步驟。

① 設備描述符(GetDeviceDescriptor)。請求設備描述符的setup數據包為
通過(guò)讀取設備描述符，可獲得設備的子類(lèi)(通用海量存儲類(lèi))、端點(diǎn)0的最大包長(cháng)(一般為8字節)。
　　　　　　　　　　
② 讀取配置描述符(GetConfigDescriptor)。
對于請求配置描述符，可以先進(jìn)行首次請求，要求數據包長(cháng)為9(一個(gè)配置描述符的長(cháng)度)。數據包內容為
　　　　　　　　　　
接收到設備返回的數據，獲得此描述符的總長(cháng)，然后再發(fā)二次請求，獲得全部描述符數據。數據包內容為
　　　　　　　　 　　
此時(shí)返回的數據包括了設備配置、接口、端點(diǎn)的全部描述信息。

　　此部分的內容包括Configuration Descriptor、Interface Descriptor和所有端點(diǎn)的Endpoint Descriptor。在配置描述符中，可獲得設備的屬性(總線(xiàn)供電)以及最大功耗；在接口描述符，可獲得設備的接口數量(只有一個(gè)數據接口)、接口類(lèi)型(海量存儲類(lèi))、接口子類(lèi)代碼(UFI)、接口通信協(xié)議(Bulk-Only)；在端點(diǎn)描述符，可獲得設備的In和Out端點(diǎn)號及此端點(diǎn)的最大數據包長(cháng)。

③ 設置設備地址(SetAddress)。設置設備地址的setup數據包為
　　　　　　　　　　 　 　
　　設備地址為02或03(01一般用來(lái)表示設備為Hub)。

　　到此，U盤(pán)的配置過(guò)程完成。此后的主機與USB設備之間的通信必須使用設置的地址，默認地址0不再有效，傳輸端點(diǎn)則為讀取的配置描述符中所定義的端點(diǎn)號。

　　在配置過(guò)程中各類(lèi)數據內容的正確性，可借助BusHound軟件工具捕捉PC機與U盤(pán)之間的活動(dòng)數據，然后將自己獲得的數據包內容與之相比較。

2.2.3 U盤(pán)文件系統識別

(1)軟件協(xié)議
　　在與U盤(pán)之間進(jìn)行大量數據傳輸時(shí)，需要利用描述符提供的In、Out端點(diǎn)進(jìn)行數據傳送，并遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議。

　　根據USB的協(xié)議規范，所有的傳輸都須由主機啟動(dòng)。即主機首先向設備的OUT端點(diǎn)發(fā)送一命令(CBW數據包)，請求傳輸，格式如表3所列。
　　　　　　　　
　　在數據包中規定了下一步的數據傳輸方向。若為設備到主機，則當CBW發(fā)送成功后，從設備的In端點(diǎn)讀取CBW中規定長(cháng)度的數據；若為主機到設備，則當CBW發(fā)送成功后，向設備的Out端點(diǎn)發(fā)送CBW中規定長(cháng)度的數據。

　　當主機與設備之間的數據傳送完畢后，主機還需從設備的In端點(diǎn)讀取傳送狀態(tài)，主機根據接收的CSW數據包即可判斷出通信是否正常。若返回的結果有錯誤，還須進(jìn)行相應的出錯處理。CSW數據包結構如表4所列。
　　　　　　　　
(2)實(shí)現過(guò)程
　　CPU向U盤(pán)發(fā)送CBW數據包，其中的命令塊為UFI規范所定義的Read(10)命令。讀取0柱0道1扇區共512字節的MBR數據，前446字節為主引導記錄，接著(zhù)的64字節為DPT(Disk Partition Table盤(pán)分區表)，最后的2字節“55 AA”為有效結束標志。

其中的DPT部分包含4個(gè)分區的數據結構，每個(gè)結構占16字節，具體定義如下：
typedef struct{
uchar BootFlag; //活動(dòng)標志，80h為活動(dòng)分區，0為非活動(dòng)
//分區
CHS StartCHS; //分區開(kāi)始的柱面、磁頭、扇區
uchar SystemID; //分區類(lèi)型
CHS EndChs; //分區結束的柱面、磁頭、扇區
ulong RelativeSectors; //分區起始扇區數
ulong TotalSectors; //分區總扇區數
}PartitionTable;

　　從第一個(gè)分區數據結構的分區起始扇區數(relative sectors)的位置讀取512字節，為DBR(系統引導記錄)，包括一個(gè)引導程序和BPB(本分區的參數記錄表)。BPB參數塊記錄本分區的起始扇區、結束扇區、文件存儲格式、介質(zhì)描述符、根目錄項數、FAT個(gè)數、保留扇區數、分配單元的大小等重要參數。

　　根據保留扇區的數目可知FAT表的位置(RelativeSectors+保留扇區數)。FAT表是文件組織結構的主要組成部分，反映了磁盤(pán)上所有簇的使用情況。在給一個(gè)文件分配空間時(shí)，總先掃描FAT，找到第一個(gè)可用簇，將該空間分配給文件，并將該簇的簇號填到目錄的相應段內；若文件大于一個(gè)簇，則在FAT表中此文件的首簇號位置填入下一個(gè)可用簇號，直到最后一個(gè)簇填入“FFFF”，即形成了簇號鏈。對于FAT12文件系統，簇號用12位表示；FAT16文件系統的簇號用16位表示；FAT32文件系統的簇號用32位表示。

　　根據FAT的個(gè)數以及每個(gè)FAT表占用的扇區數，即可推算出文件目錄表(FDT)的位置(FAT表位置+FAT表個(gè)數*FAT表所占扇區數)。FDT是文件組織結構的又一重要組成部分。目錄可看作是一種特殊的文件，數據結構為32字節，包括文件名、擴展名、文件屬性、時(shí)間、日期、開(kāi)始簇號、文件長(cháng)度等。
根據根目錄中的目錄項數即可計算出數據區的起始扇區位置。這一部分占用了磁盤(pán)上的大部分空間，用于存儲各類(lèi)文件的數據。

　　對于FAT32文件系統來(lái)說(shuō)，它的根目錄位置不單獨列出，而是等同于文件結構，保存在數據區中。這樣就沒(méi)有了目錄項的限制，不夠用的時(shí)候增加簇鏈，分配空簇即可。

　　對于以上各類(lèi)數據讀取內容的正確判斷，可將U盤(pán)插入PC機，借助WinHex工具，讀取磁盤(pán)上相應位置的數據內容，與之相比較。

　　FAT16文件格式的U盤(pán)空間分配如圖2所示。
　　　　　　　　　
2.2.4 文件操作

　　因為U盤(pán)的容量不是特別大，所以基本上都使用FAT16文件系統?？梢愿鶕﨔AT16系統的磁盤(pán)特性進(jìn)行各種操作。

① 創(chuàng )建目錄。在根目錄區或指定的子目錄區中填加新目錄的數據結構。

② 刪除目錄。在根目錄區或指定的子目錄區中找到所需刪除的目錄，并置相應標志。

③ 寫(xiě)文件。當寫(xiě)一新文件時(shí)，需在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫(xiě)入文件對應目錄數據結構中的起始簇號位置。當此文件長(cháng)度大于一簇時(shí)，還需在FAT表中對應的起始簇號位置填入下一可用簇的簇號，直到文件的最后一簇(FAT表中的相應位置填FFFF)。
若磁盤(pán)有備份FAT，還需在備份FAT表的相應位置填入正確的內容。

④ 刪文件。刪除文件時(shí)，除了將該文件對應的目錄數據結構置相應標志外，還要修改FAT表及備份FAT表。將此文件使用的簇號位置清0，表示此簇當前未被使用。

2.2.5 Bulk傳輸流程
　　使用U盤(pán)的Bulk端點(diǎn)進(jìn)行數據傳送，Bulk傳輸分為Bulk-In和Bulk-Out。其中Bulk-In指的是主機向外圍設備請求數據，由外圍設備向主機發(fā)送數據。Bulk-Out的傳輸方向與Bulk-In相反，由主機向外圍設備發(fā)送數據。

　　根據UFI規范的定義，每次讀寫(xiě)操作都以邏輯塊(扇區)為單位。一般U盤(pán)的一個(gè)扇區為512字節，而B(niǎo)ulk端點(diǎn)的最大包長(cháng)為64字節，即一個(gè)扇區的讀寫(xiě)操作需要8個(gè)循環(huán)才能完成。

(1)Bulk-In流程
　　Bulk-In流程如圖3所示。
　　　　　　　　　　　　
　　在接收設備數據的循環(huán)中，因為一個(gè)扇區的操作需要8次才能完成，因此要注意每接收一個(gè)數據包，都要將SL811HS寄存器0中的數據位(位6)變換一次。data1和data0交替使用。

(2)Bulk-Out流程
　　與Bulk-In流程差不多，只是在CBW數據包中，注明了下一階段的傳輸方向為主機到外圍設備。在CBW發(fā)送ACK之后，向設備的Out端點(diǎn)發(fā)送PID-OUT數據包，使得設備接收所要傳送的數據。在數據傳輸完畢后，仍要向設備的In端點(diǎn)發(fā)送PID-IN數據包，讀取設備的CSW數據包，判斷傳輸結果，并進(jìn)行相應處理。

　　在發(fā)送數據的循環(huán)中，同樣要注意data0和data1的交替使用問(wèn)題。

結 語(yǔ)
　　目前開(kāi)發(fā)的在嵌入式系統中利用USB主控芯片實(shí)現與U盤(pán)的操作技術(shù)，已應用在我們自主開(kāi)發(fā)研制的消防產(chǎn)品中。實(shí)現了消防控制器與U盤(pán)之間的各類(lèi)信息的傳輸，為數據分析提供了有利的手段。在越來(lái)越多的消費類(lèi)市場(chǎng)，這一技術(shù)必將有更為廣闊的應用前景。